Kuliah 4 Ion Exchange

Kuliah 4

Kuliah 4

Pertukaran ion

• Pertukaran ion merupakan fenomena adsorpsiPertukaran ion merupakan fenomena adsorpsi yang melibatkan mekanisme elektrostatik.

G l kt t tik h i d 2

• Gaya elektrostatik menahan ion pada gugus2 fungsional bermuatan yang ada pada

permukaan resin penukar ion.

• Ion-ion yang teradsorpsi memindahkan ionIon ion yang teradsorpsi memindahkan ion yang terletak pada resin dengan perbandingan

t 1 1 muatan 1:1.

CONTOH CONTOH

Aplikasi teknologi penukaran ion pada l h i li b h

pengolahan air limbah

• Pengolahan air sadah: menghilangkan Ca, Mg dengan menggantikannya dengan Na atau H.

• Menghilangkan Fe dan Mn dari air tanah. • Recovery Ag, Au, Uy g, ,

• Demineralisasi: menghilangkan kation2 logam dengan H • Menghilangkan semua anion OH

-• Menghilangkan semua anion OH • Menghilangkan nutrien NO₃-_{, NH}

Jenis2 Penukar Ion Jenis2 Penukar Ion

• Alami: protein tanah lignin batubara oksida • Alami: protein, tanah, lignin, batubara, oksida logam, aluminosilikat (zeolit, NaOAl₂O₃._4SiO

2).

• Gel zeolit sintetik

• Resin polimer dibuat dalam 3-Dimensi dengan rantai cross-linking hidrokarbon.

rantai cross linking hidrokarbon.

• Hasilnya merupakan resin yang bersifat tidak

l i d k k

larut, inert dan kaku.

• Gugus fungsional yang bersifat ionik terikat pada resin.

• Resin penukar ion biasanya diproduksi melaluiResin penukar ion biasanya diproduksi melalui polimerisasi molekul2 organik, seperti:

t ( b t k l t )

• sytrene (membentuk polystrene)

• Kemudian di-cross-link dengan divinyl benzene (DVB).

• Gugus fungsional ditambahkan sesuai denganGugus fungsional ditambahkan sesuai dengan sifat penukar ion yang diperlukan.

C t h i d t di lf i d

• Contoh: resin dapat disulfonasi dengan penambahan H₂SO₄.

Divinylbenzene: Divinylbenzene:

Selektivitas resin penukar ion

Kekuatan adsorpsi menurun ke bawah

Kation, asam kuat Anion, basa kuat

Barium Iodide Barium Iodide Lead Nitrate Calcium Bisulfite Nickel Chloride Cadmium Cyanide Copper Bicarbonate Copper Bicarbonate Zinc Hydroxide Magnesium Fluoride Potassium Sulfate Ammonia Sodium Sodium Hydrogen

Selektivitas resin penukar kation logam dengan zat peng-khelat

Metal M/Ca Metal M/Ca_a Hg+2_{... 2,800} Cu+2_{... 2,300} b+2 _{1 200} Pb+2_{... 1,200} Ni+2 _{... 57} Zn+2 ₁₇ Zn 2_{... 17} Cd+2_{... 15} Co+2_{... ... 6.7} Fe+2_{... 4.7} Mn+2_{... 1.2} Ca+2 ₁ Ca ... 1

• Rasion Koefisien Selektivitas logam terhadap ion Ca pada pH = 4

Harga Resin Penukar Ion

• Resin Harga (USD/L)

Strong acid cation... 45-130 g Weak acid cation... 120-160

Strong base anion... 210-270 g Weak base anion... 210-260

Chelating Resin

Gugus Chelating Contoh

Amidoxime Duolite ES 346a Diaion CR 50b Amidoxime Duolite ES 346a , Diaion CR-50b Aminophosphonate Duolite ES 467, Lewatit OC 1060c Iminodiacetate Dowex A-1d , Diaion CR-10,

Iminodiacetate Dowex A 1d , Diaion CR 10, Duolite ES 466, Lewatit TP 208 Diphosphonate Diphonixe Bis(2-picolyl)amine

Dow 3N (Dowex XFS 4195)

2-Picolyl-2 - hydroxypropylamine

D 2N (D XFS 43084) Dow 2N (Dowex XFS 43084) Oligoamine Diaion CR-20, Lewatit E 304,

Sumichelate MC10 Sumichelate MC10

Resin iminodiasetat

RN(CH COOH) + H 2+ _{RN(CH COO ) H} 2+

RN(CH₂COOH)₂ + Hg2+ _RN(CH

2COO-)2Hg2+

+ 2H+

Univalent cations: Ag>Li>Na>K>Rb>Cs

Divalent cations : Hg>U(VI)>Cu>Pb>Ni > Cd≈Zn>Co>Fe>Mn

C S

>Ca>Mg>Ba>Sr

SMALL SCALE SMALL SCALE ION EXCHANGE COLUMNS

Klasifikasi Resin

Resin diklasifikasikan berdasarkan jenis gugus fungsionalnya dan % cross-link

Penukar kation:

Penukar kation:

Gugus fungsionalnya dibuat dari:

A k t f i l R SO H ( lf t)

- Asam kuat: gugus fungsional R-SO₃H (sulfonat) dibuat dari asam sulfat.

- Asam lemah: gugus fungsional R-COOH dibuat dari asam lemah karboksilat.

Penukar Anion: Penukar Anion:

k f i l dib d i

- Basa kuat– gugus fungsional dibuat dari senyawa ammonia kuarternair, R-N-OH. - Basa lemah: gugus fungsional dibuat dariBasa lemah: gugus fungsional dibuat dari

senyawa amina primer dan sekunder,

R-NH OH R R’ NH OH

Koefisien Selektivitas

Resin memiliki selektifitas terhadap ion tertentu. Sifat selektif ditentukan oleh hubungan

Sifat selektif ditentukan oleh hubungan kesetimbangan yang memiliki koefisien selektivitas.

C t h Contoh:

Pada ion A+ _{yang terdapat dalam larutan dan ion B}+

Pada ion A yang terdapat dalam larutan dan ion B pada resin berlaku reaksi kesetimbangan:

A

B

B

Pada persamaan reaksi Pada persamaan reaksi

A

B

B

A











berlaku persamaan kesetimbangan reaksi:

A

B

B

A







}

}{

{

}

B

}{

A

{

K

A_{B } 



 

}

B

}{

A

{

B 

Koefisien selektivitas untuk setiap resin bersifat spesifik untuk ion-ion tertentu.

Koefisien selektivitas dapat dikombinasikan guna Koefisien selektivitas dapat dikombinasikan guna

mendapatkan nilai untuk ion tertentu lainnya melalui hubungan berikut: A A

K

_{B A} C C B

K

K

K

_B



Berlaku pula hubungan sebagai berikut : A B _B

1

K

_B



_B A

K

Hubungan antara kadar ion dalam larutan [A] dan [B] adalah:

]

B

][

A

[



]

B

][

A

[

]

B

][

A

[

K

A_B



_

]

][

[

Dimana: [A+_{], [B}+_{]= mole A}+_{, B}+ _{/L larutan}

= mole dari A+_{, B}+ _{pada resin / L resin}

K fi i l kti it b k k h b

Kefisien selektivitas bukan merupakan hubungan termodinamika, melainkan merupakan konstanta kesetimbangan operasional saja.

Faktor2 yang menentukan nilai koefisien selektifitas:

• muatan ion

• radius ion terhidrasi

• radius ion terhidrasi

• interaksi antara ion dan gugus fungsionalinteraksi antara ion dan gugus fungsional Semakin besar muatan ion, semakin besar

• Semakin kecil radius ion terhidrasi, semakin besar affinitasnya terhadap resin. Hal ini terkait dengan % cross-linkage pada resin.

% cross linkage pada resin.

• Radius ion terhidrasi berpengaruh pada selektifitas, karena berhubungan dengan volume pori yang

ditentukan oleh % cross-link.

• Beberapa jenis ion dapat menyebabkan terjadinya

b i tid k d t lih H l

pengembangan resin, yang tidak dapat pulih. Hal ini mengurangi daya ikat resin pada ion2 dengan radius terhidrasi yang besar.

Contoh:

Ion Li and Ag dimana Ag+ _{memiliki radius}

Ion Li and Ag, dimana Ag+ _{memiliki radius}

terhidrasi yang lebih rendah dari Li+_{. Nilai2 pada}

Tabel menunjukkan besarnya affinitas pada resin.

% C li k 4% 8% 16% % Crosslink 4% 8% 16% Li+ _{1 1 1} Li+ _{1 1 1} Ag+ _{4 73 8 51 22 9} Ag 4.73 8.51 22.9

• Dengan semakin besarnya nilai cross-link, Ag+

lebih terseleksi untuk diikat/diadsorpsi karena lebih terseleksi untuk diikat/diadsorpsi karena radius terhidrasinya yang lebih rendah dari Li+_.

J l h b l A d Li d di d i

• Jumlah absolut Ag dan Li yang dapat diadsorpsi lebih rendah dengan semakin rendahnya cross-link. Ini merupakan keunggulan dari ion2

dengan radius terhidrasi yang kecil dengan radius terhidrasi yang kecil.

• Hal lain yang berpengaruh terhadap kekuatan y g p g p

ikatan pada resin selain gaya elektrostatik, adalah jenis gugus fungsional

jenis gugus fungsional.

• Contoh:

• Gugus fungsional asam lemah (misal

karboksilat), akan mengikat ion H_{), g} + _{dengan kuat g}

melalui ikatan hidrogen ion.

• Gigus fungsional PO akan mengikat Ca++

• Gigus fungsional PO₄ akan mengikat Ca++

Jik C k d l i 2 d di k k

Jika C = kadar total ion2 yang dapat dipertukarkan dalam larutan (eq/L).

Ca2+ _{dan Na}+ _{adalah ion2 yang ada dalam larutan.}

Maka : C = [Na+_{] + 2 [Ca}2+_]

= kadar total ion pada resin yang dikenal

C

= kadar total ion pada resin, yang dikenal

juga sebagai kapasitas pertukaran ion (eq/L).

C

Fraksi ekivalen untuk setiap ion pada setiap fasa adalah X

+ 2+

[A ]

2[A ]

+ 2+ + 2+ A A

[A ]

2[A ]

X or X

=

or

C

C

C

C

+ 2+ + 2+ A A + 2+

[A ]

2[A ]

X or X

or

C

C



A A

C

C

Untuk pertukaran ion monovalen:

A B







 

B A

 

A B B A



 

+

[A ][B ]

 + + A + B

[A ][B ]

K

[A ][B ]

 



[A ][B ]

A

[A ] C X

 

_{ }

)

X

1

(

C

X

C

]

B

[

B



]



C

X



C

(

1

X

)

[





_B





_A

[A ] C X



 

A

[A ] C X

_

[B ] C X



 



C(1 X )



B A

[B ] C X

_

C(1 X )

_

Substitusikan massanya untuk memperoleh + + A

[A ][B ]

K





untuk memperoleh koefisien selektifitas: C X C (1 X ) + ₊ B

K

[A ][B ]





C X_A+ . C (1-X_A+) C X_A+ . C (1-X_A+) KA+ B+ = A A _A B X (1 X ) K       A B A X (1 X )     _ H il khi j di

Hasil akhir menjadi:

A A XA X K     A B A K (1 X ) (1 X )_     

Untuk pertukaran ion monovalen – divalen: p

2



2



2

A





2B





2B





A



2 ₂ 2 A A A 2

X

X

_C

K

   



2 2 A 2 2 B A

K

(1 X

) C

(1 X )



_ 





Contoh perhitungan Ion NO

-3 akan dipertukarkan pada resin

Contoh perhitungan

Ion NO ₃ akan dipertukarkan pada resin

anionik basa kuat Cl- _{. Diketahui data pada}

resin sbb:es sbb: -3 -NO Cl

K

= 4

C_NO3 1 . 3 meq/L

Kadar pada influen: [Cl-_{] = 3 meq/L}

[NO

-3] = 1.5 meq/L 3

Tentukan berapa banyak ion nitrat yang dapat diadsorpsi pada setiap L

y g p p p p

Jawab: Jawab:

Tentukan terlebih dahulu:

X

NO₃

-3 NO

1.5

X

0.33 (influent)

3 1 5







3 1.5



X

X

_{- -}



-



_

_

NO3 ₃ 3 -O NO NO Cl NO

X

X

_0.33

=K

=4

=1.97

1-X

1 - 0.33

1-X





_

_





_

_





_

_





-NO3



NO3







X

0 66

Artinya fraksi maksimum pada

NO3

X

_



0.66

_{resin yang dapat diisi oleh NO}y p

-Kadar total NO

-3 yang dapat diikat resin adalah: 3 y g p

resin.

of

liter

per

NO

eq

0.86

eq/L(0.66)

3

.

1



-₃ Dik h i k d NO d l i d l h 1 5 /L

Diketahui kadar NO₃- _{dalam air adalah 1.5 meq/L,}

atau 0.0015 eq/L.

M k l i d t di l h d 1 L i

Maka volume air yang dapat diolah dengan 1 L resin tersebut adalah:

0 86 /L i / 0 0015 /L i 0.86 eq/L resin / 0.0015 eq/L air = 570 L air / L air

Regenerasi

Kolom resin yang sudah jenuh oleh polutan ion dapat diregenerasi dengan menggunakan larutan dapat diregenerasi dengan menggunakan larutan dengan komposisi ionik yang sesuai.